Исследователи из Университета Гёте во Франкфурте впервые провели непосредственное измерение нулевых колебаний атомов в молекулах, находящихся в наименьшем квантовом энергетическом состоянии. По мнению ученых, подобный результат ранее признавался недостижимым.
Квантовая физика предсказывает наличие нулевого движения, обусловленного нулевой энергией, однако классическая физика не предоставляет объяснений того, как такое движение может существовать в системах, не содержащих тепловой энергии.
«Данный эффект, известный как нулевое движение, является исключительно квантовомеханическим явлением и не находит аналогов в классической физике », — отметил профессор Тилль Янке, сотрудник Института ядерной физики Университета Гёте во Франкфурте и Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге.
В классической физике предполагается, что молекулы, лишенные тепловой энергии, например, при абсолютном нуле температуры, должны находиться в состоянии полной неподвижности. Однако современные исследования демонстрируют, что атомы, входящие в состав молекул, сохраняют свою подвижность даже при таких условиях. Это нулевое движение обусловлено нулевой энергией – минимальным уровнем энергии, который допускается квантовой механикой даже в основном состоянии.
Хотя квантовая физика и описывает нулевые колебания и энергию, порождающую их, непосредственное наблюдение этого явления долгое время оставалось недоступным. Помимо трудностей, возникающих при охлаждении образцов до абсолютного нуля, основным ограничением является принцип неопределенности Гейзенберга, который утверждает, что одновременное определение положения и скорости квантовой частицы невозможно.
«Это похоже на наблюдение за танцем, когда невозможно одновременно определить местоположение исполнителя и скорость его движений — приходится выбирать между этими параметрами », — поясняют авторы исследования.
Определение характеристик нескольких атомов в молекуле является непростой задачей, особенно когда речь идет о молекулах, состоящих из двух или трех атомов. В йодпиридине, выбранном для исследования, колебания одиннадцати атомов происходят в 27 различных режимах, что значительно усложняет выполнение данной задачи.
Для достижения задачи, считавшейся ранее невыполнимой, исследователи получили возможность использовать European XFEL, самый мощный рентгеновский лазер в мире, расположенный в Гамбурге. Применяя метод кулоновского взрывного изображения, ученые воздействовали на йодпиридин с помощью сверхкоротких и мощных рентгеновских импульсов. В результате возник контролируемый «взрыв» молекул, что позволило определить их структуру с высоким разрешением.
Мощный рентгеновский импульс, согласно исследователям, вырывает из молекулы большое количество электронов. Это приводит к тому, что атомы приобретают положительный заряд и начинают отталкиваться друг от друга, распадаясь за чрезвычайно короткий промежуток времени – доли триллионной доли секунды. В этот мимолетный период специальное устройство регистрирует момент взаимодействия и расположение атомов, что дало возможность воссоздать первоначальную структуру молекулы.
Проведенный эксперимент продемонстрировал наличие нулевого движения атомов. Исследователи не только зарегистрировали этот «атомный танец», но и выявили неожиданный эффект: атомы двигались синхронно.
«Наиболее поразительным аспектом нашей работы оказалось то, что атомы не просто совершают индивидуальные колебания, а демонстрируют скоординированные закономерности », — пояснил Янке. — «Впервые нам удалось непосредственно зафиксировать подобное поведение, наблюдаемое в отдельных молекулах среднего размера, находящихся в самом высоком энергетическом состоянии ».
Несмотря на то, что изображения нулевого движения стали значительным достижением, Янке подчеркнул, что история этого открытия началась задолго до этого. Информация, на которой основано исследование, была собрана еще в 2019 году в ходе эксперимента, проводившегося с иной целью.
«Первоначально измерения выполнялись под руководством Ребекки Болл в European XFEL, и тогда наша задача существенно отличалась », — рассказал он. «Лишь спустя два года мы осознали, что видим признаки отсутствия прогресса ».
Грегор Кастирке, доктор наук, создатель улучшенной версии реакционного микроскопа COLTRIMS для European XFEL, подчеркнул, что возможность принять участие в таком важном открытии стала для него знаковым событием.
«Такие значительные результаты вызывают чувство гордости, поскольку они стали результатом многолетней подготовки и эффективного сотрудничества всей команды », — сказал Кастирке.
В завершение исследования Янке акцентировал внимание на необходимости взаимодействия с коллегами из Центра науки о свободно-электронных лазерах, расположенного в Гамбурге. Бенуа Ришар и Людгер Инхестер создали новые подходы к анализу, которые « вывели интерпретацию данных на совершенно новый уровень ».
«С течением времени становится ясно, сколько факторов должны были совпасть для достижения желаемого результата », — добавил Янке.
По словам ученого, команда продолжает работу над улучшением методики и готовит новые эксперименты, направленные на изучение нулевого смещения.
«Мы стремимся преодолеть концепцию «атомного танца» и зафиксировать движение электронов – еще более стремительную «хореографию», определяемую движением атомов », — объяснил он. «Используя наше оборудование, можно будет моделировать молекулярные процессы, создавая, по сути, «короткометражные» демонстрации — то, что ранее казалось невозможным ».
Исследование было опубликовано в журнале .